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西安交大破解镁金属塑性差之法 为高塑性镁合金开发带来新启发

浏览:247 发表时间:2019-07-26 08:48:06

7月5日,记者了解到,西安交通大学的单智伟教授、澳大利亚蒙纳士大学的聂建峰教授和美国内华达大学雷诺分校的李斌教授(共同通讯作者)等发现,对于晶粒尺寸极小的纯镁,其延展性远高于此前人们预想的水平。

西安交大破解镁金属塑性差之法 为高塑性镁合金开发带来新启发

高强轻质的镁合金作为一种经典的结构材料在汽车、火车、飞机等交通工具的制造中广泛应用。


然而,镁金属及镁合金的大规模应用受制于其低塑性。这是由于镁的〈c+a〉位错滑移不能承载大的塑性变形。通常采取掺入其它元素的方法提高镁合金的塑性,但这种方法成本太高,难以在实际应用中推广。


该工作用原位TEM观察纯镁在塑性变形中的位错滑移机制,发现镁的〈c+a〉锥面滑移系能承载大的塑性变形。当镁晶粒小至亚微米级别时,镁表现出远高于其块体材料的高塑性。


对此,作者提出,小的晶粒尺寸通常导致大的应力,这促使镁晶体中更多的〈c+a〉滑移系开动,由此产生的塑性变形使镁金属兼具高的强度和塑性。


此外,小晶粒能抑制孪晶变形,而这正是大晶粒材料常见的断裂机制。该机制有望提高镁及其他金属、合金的延展性。


该工作以“Large plasticity in magnesium mediated by pyramidal dislocations”为标题于2019年7月5日发表在国际顶刊Science上。

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图一、原位TEM观察柱状镁单晶在压缩应力下沿晶向滑移

西安交大破解镁金属塑性差之法 为高塑性镁合金开发带来新启发

图二、横截面为梯形的镁金属样品在位错滑移下的衍射衬度像

西安交大破解镁金属塑性差之法 为高塑性镁合金开发带来新启发

图三、原位TEM观测不同样品中的位错滑移

西安交大破解镁金属塑性差之法 为高塑性镁合金开发带来新启发

图四、用三维重构模型解释两种类型的锥面滑移机制,从中可见不同塑性变形模式下的滑移面及交叉滑移方式。


西交大单智伟教授团队针对镁塑性较差,型材和零件的变形加工困难,工艺成本高,广泛应用受阻等实际,联合重庆大学、西安科技大学、澳大利亚莫纳什大学、美国内华达大学、美国麻省理工学院和约翰霍普金斯大学与内华达大学相关科研人员,采用原位电镜纳米力学测试技术来解决样品几何形变、微观结构演化以及力学曲线三者之间一一对应的难题,选取合适的加载方向来消除其它位错的干扰,采用梯度样品设计来解决捕捉和表征单根位错难的问题,运用三维图像重构技术来解决位错滑移面不易确定的难题,并通过对比力学曲线的方式排除了电子束的影响。


得益于这些有针对性的实验设计,研究团队以令人信服的结果,证明了最起码对亚微米尺度的纯镁而言,各种类型的锥面位错(刃、螺、混合型)不仅可以滑移,而且可以导致非常大的塑性变形。与块体材料相比,微纳米样品呈现出更高的屈服强度和流变应力。因此,我们推测高应力促进了锥面位错的形核和滑移,进而提高了测试样品的塑性。通过进一步的深度分析,不仅确定了位错的滑移面,而且还清晰地观察到了锥面位错的交滑移、位错偶极子的形成以及位错往复运动等此前尚未报道过的重要现象。


作为最轻质的金属结构材料,镁在航空航天、汽车、高铁、电子产品和医疗等领域具有广阔的应用前景,该研究为完善镁的塑性变形理论提供了重要的实验数据,并为高塑性镁合金的开发带来新的启发。该成果的推广和应用,有望从整体上实现镁基产品质量和性能的显著提升。


当前主流观点认为,塑性差是镁的本征属性,原因是镁中的锥面位错(一种晶体缺陷)会自发地分解为不可滑移的结构,无法协调塑性变形。因此,提高塑性需要通过添加某些特定的元素来调节锥面位错的行为。但也有一些学者持不同观点,认为锥面位错是有效的塑性变形载体,只要能促进锥面位错的形核和滑移,镁的塑性就可以提高。上述争议直接影响到下一代高塑性镁合金的设计思路和技术路线,因而成为一个急需解决的科学难题!然而,由于锥面位错的几何形态和结构非常复杂,很难通过实验来全面地解析,此前的研究通常以计算机模拟为主,相关观点和推论均缺乏有力的实验证据。


近年来,西安交通大学单智伟研究团队依托陕西省镁基新材料工程研究中心,开展了一系列富有成效的基础研究、技术攻关和成果转化。2014年,发现了镁中不同于位错和孪晶的室温变形新机制,成果发表于《自然·通讯》,并荣获美国TMS学会镁分会年度最佳基础研究论文奖;系统研究了镁合金中析出相形貌对孪晶行为的影响,并进而发展了一种判断镁合金强塑性的简单判据,成果发表于《材料科学技术》(封面推荐,2018);发现通过活化二氧化碳,可以在室温下将镁表面的氧化层或腐蚀产物转变成一种致密的保护膜层,不仅可显著提升镁及其合金的抗腐蚀性和强韧性,而且大幅提高镁的抗氧化能力,从而发明了一种绿色,低成本镁合金涂层新技术,成果发表于《自然·通讯》(2018)并获得国家专利授权;针对原镁冶炼工艺落后、自动化程度差和环境污染严重的现状,提出并证明了原本需要在搞真空条件下进行的原镁生产可以在常压进行,并与华西能源公司联合攻关,完成了原镁常压生产的工业化装置设计,从而为原镁生产的自动化奠定了坚实的基础;针对原镁杂质种类多、含量高、波动大的痼疾,从原子机理出发,开发出全新的工艺流程,证明了不需精炼就可以在不显著增加成本的条件下,从料球直接生产出99.99%以上纯度的高纯镁,颠覆了此前领域内普遍认为皮江法(或硅热换还原法)不能直接生产高纯原镁的认知。 

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